インライン注入及び冷却を用いる繊維配置システム及び方法
【課題】高価な予め含浸させた繊維トウ又はドライプリフォームを使用しない繊維配置方法及びシステムの提供。
【解決手段】繊維配置システム１０は、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウ２に塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する樹脂含浸アセンブリ２０を備える。繊維配置システムはさらに繊維配置ヘッド３０を備え、繊維配置ヘッド３０は樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器４０を有する。繊維配置ヘッド３０はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリ５０と、切断後の繊維トウを受け取り、器具７０に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ６０とを有する。繊維配置方法も提供する。
【解決手段】繊維配置システム１０は、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウ２に塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する樹脂含浸アセンブリ２０を備える。繊維配置システムはさらに繊維配置ヘッド３０を備え、繊維配置ヘッド３０は樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器４０を有する。繊維配置ヘッド３０はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリ５０と、切断後の繊維トウを受け取り、器具７０に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ６０とを有する。繊維配置方法も提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、複合材料部品を形成する繊維配置システム及び方法に関し、特にインライン注入及び効果的インライン冷却を用いる繊維配置システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂注入された繊維複合材料は、重量比強度及び重量比剛性が高いなどの理由で多種多様な産業、たとえば自動車、航空機及び風カエネルギーに使用されることが増えている。複雑な複合材料部品及び／又は繊維パターンを形成することが望まれている。しかし、このような部品の現行の製造方法では通常、ドライ繊維プリフォームを用い、その後樹脂注入するか、「プリプレグ」と呼ばれる予め含浸させた繊維トウを配置する。これら両方の方法とも欠点がある、即ちドライプリフォームの用意には大きな労力を要し、プリプレグトウは非常に高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７５１３９６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、高価な予め含浸させた繊維トウ又はドライプリフォームを使用しない繊維配置方法及びシステムを提供することが望ましい。さらに、繊維配置方法及びシステムがインライン冷却を向上させてその後のインライン樹脂注入繊維トウの加工と使用を容易にすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１観点による繊維配置（ファイバプレイスメントfiber placement）システムは、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウ（インラインで樹脂を注入した繊維トウ）を形成する樹脂含浸アセンブリを備える。繊維配置システムはさらに繊維配置ヘッドを備え、繊維配置ヘッドは、樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器を含む。繊維配置ヘッドはさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリと、切断後の繊維トウを受け取り、器具（ツール）に圧縮するように構成された圧縮アセンブリとを含む。
【０００６】
本発明の別の観点は、繊維配置方法である。本方法は、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成し、インライン樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却する工程を含む。繊維配置方法はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、切断後の繊維トウを器具に圧縮する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の上記その他の特徴、観点及び効果を一層良く理解できるように、以下に添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図面において、同じ符号は同一部品を示す。
【図１】本発明の実施形態の繊維配置システムを示す線図である。
【図２】図１のシステムに用いる繊維配置ヘッドの斜視図である。
【図３】図２に示す繊維配置ヘッドの反対側の斜視図である。
【図４】図２及び図３の繊維配置ヘッドの断面図である。
【図５】図１のシステムに用いる、２つの注入ローラーを有する樹脂含浸アセンブリの線図である。
【図６】別の例の樹脂含浸アセンブリに用いるノズル配列の１例を示す線図である。
【図７】注入増強装置の１例を示す線図である。
【図８】図２〜図４の繊維配置ヘッドに用いる冷却器の構成の１例を示す斜視図である。
【図９】図８の冷却器の冷却チャンネルの１例を示す線図である。
【図１０】図８に示す冷却器の断面図である。
【図１１】図２〜図４の繊維配置ヘッドに用いる切断機アセンブリの１例を示す斜視図である。
【図１２】図１１の切断機アセンブリの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態の繊維配置方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態の繊維配置システム１０を図１〜図４を参照して説明する。たとえば図１に示すように、１例である繊維配置システム１０は、樹脂（図１には示さず）を１つ又は２つ以上の繊維トウ２に塗工し、樹脂を繊維トウ２に注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウ（これも参照番号２で示す。）を形成する樹脂含浸アセンブリ２０を備える。図１の構成例では４つの繊維トウを示すが、本発明は、特定の数の繊維トウに限定されず、繊維トウ数は用途や特定の機械設計に応じて変わる。樹脂含浸アセンブリ２０の構成例は、図５〜図７を参照して後で説明する。
【０００９】
ここで用いる用語「繊維トウ」は、フィラメント、繊維、多数（たとえば、１０，０００〜５０，０００）の繊維からなるトウ及び繊維テープに大別されるすべてのものを指す。通常、トウが５０，０００以上の繊維を含むと、インターリーブ構造の強度が低減し、一方、トウが３０００未満の繊維を含むと、製造コストが増加する。２つの実施例では、１２，０００及び２４，０００繊維のトウを使用した。繊維の種類には、ガラス繊維、高強度繊維（たとえば、炭素繊維）、硬質耐剪断性繊維（たとえば、金属繊維又はセラミック繊維）及び強靱性繊維（たとえば、Ｓガラス、アラミド繊維及び配向ポリエチレン繊維）があるが、これらに限らない。アラミド繊維の例としては、ケブラー（Kevlar登録商標）及びトワロン（Twaron登録商標）があるが、これらに限らない。ケブラーはE. I. du Pont de Nemours and Company（米国バージニア州リッチモンド所在）から販売されている。トワロンアラミド繊維は帝人トワロン（オランダ所在）から販売されている。配向ポリエチレン繊維の例としては、スペクトラ（Spectra登録商標）及びダイニーマ（Dyneema登録商標）があるが、これらに限らない。スペクトラ繊維は、Honeywell Specialty Materials社（米国ニュージャージー州モリス所在）から販売されている。ダイニーマ繊維はＤＳＭ（Dutch State Mines）社（オランダ所在）から販売されている。
【００１０】
図１に示すように、システム１０はさらに、繊維配置ヘッド３０を備える。たとえば、図２〜図４に示すように、繊維配置ヘッド３０は、樹脂含浸アセンブリ２０からインライン樹脂注入繊維トウ２を受け取り、冷却するように構成された冷却器４０を１つ以上有する。冷却器４０は、図８〜図１０を参照して後で詳細に説明する。繊維配置ヘッド３０はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウ２を受け取り、切断するように構成された切断機アセンブリ５０を１つ以上有する。切断機アセンブリ５０は、その１例を図１１及び図１２を参照して後で説明する。たとえば、図２〜図４に示すように、繊維配置ヘッド３０はさらに、切断後の繊維トウを受け取り、器具７０に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ６０を有する。圧縮アセンブリは、図１〜図４を参照して後で説明する。
【００１１】
図１に示す構成例では、繊維トウ２をクリール９０から供給する。図示例では、クリール９０は複数のスプール９２を有する。図示のように、最初に各トウ２をそれぞれのスプール９２に巻く。１つ又は２つ以上のスプールテンショナ３２を設けてクリール９０の繊維トウの張りを制御することができる。図１に示すような制御装置８０によりスプールテンショナ３２を制御することができる。制御装置８０を用いて樹脂含浸アセンブリ２０及び／又は繊維配置ヘッド３０の制御を行うこともできる。別の構成では、別々の制御装置（図示せず）を用いることができる。
【００１２】
ある実施形態では、制御装置８０は１つ又は２つ以上のプロセッサを有することができる。なお、本発明は、本発明の処理作業を行う特定のプロセッサに限定されない。ここで用いる用語「プロセッサ」は、本発明の処理作業を行うのに必要な計算や演算を行うことができる機械を示す。当業者に明らかであるように、用語「プロセッサ」は、構造化された入力を受理すること及び／又は入力を所定の規則にしたがって処理して出力を生成することができる機械を示す。
【００１３】
繊維配置ヘッド３０は、回転軸の周りを回転するか静止している器具７０に対して移動するように構成されている。制御装置８０はさらに、繊維配置ヘッド３０と器具７０の相対移動を制御するように構成されている。通常、繊維配置ヘッド３０が器具７０に対して移動する。特に、繊維配置ヘッド３０は軸方向移動、並進及び軸回転するように構成されている。理論上、器具７０も繊維配置ヘッド３０に対して移動するように構成可能であるが、器具７０と繊維配置ヘッド３０の相対寸法及び構成からこの理論的構成は実用的でない。この相対移動は、様々な方法を用いて、たとえばガントリ、即ち支持機枠（図示せず）に繊維配置ヘッド３０を装着するなどして実現することができる。繊維配置ヘッド３０は、摺動可能にトラック（図示せず）に係合され、アクチュエータ（図示せず）に駆動されてトラックを上下移動できるようにするか、多軸スピンドルヘッド（図示せず）上に位置することができる。トラック及びアクチュエータは位置決め装置と総称できる。この位置決め装置をガントリに装着することができる。さらに、クリール９０、樹脂供給部１６、ヒーター（図示せず）及びスプールテンショナ３２をガントリに装着してもよい。
【００１４】
図５に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０は、たとえば樹脂供給部（又は樹脂タンク）１６から樹脂４を受け取るように構成された１つ又は２つ以上の注入ローラー２２を有する。樹脂４の例としては、熱硬化性ポリマー樹脂、たとえばビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂及びこれらの混合物があるが、これらに限らない。たとえば、図５に示すように、各注入ローラー２２には多数のホール２４が設けられ、樹脂を繊維トウ（図５には示さず）に注入してインライン樹脂注入トウを形成するように構成されている。図５に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０が２つの注入ローラー２２を有し、４つの繊維トウがそれらの間を通るように構成されている。さらに、図５に示す構成例では、注入ローラー２２はボックス３３に納められている。
【００１５】
１つの構成例では、各注入ローラー２２にいくつかのノッチが設けられ、対応する繊維トウを受け取るように構成されている。隣接するノッチは互いにギャップで隔てられている。この構成例では、ホール２４は、ノッチに配列され、注入ローラー２２の軸線方向に沿って無孔部分で隔てられている。
【００１６】
図６は樹脂含浸アセンブリ２０の別の構成例を示す。図６に示す構成では、樹脂含浸アセンブリ２０は、樹脂をそれぞれの繊維トウ上に堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル２１を有する。様々な構成のノズル２１を用いることができる。図示した構成では、各ノズル２１は、樹脂を１つの繊維トウ２だけに堆積するように構成されている。図示した構成では、ノズル２１は、樹脂を繊維トウ２の片側だけに堆積するように構成されている。別の構成では、樹脂を繊維トウの両側に堆積するようにノズル２１を構成することができる。ノズル２１の異なるいくつかの構成は、本出願人に譲渡された米国特許出願第１２／５７５，６６８号「樹脂塗工及び注入システム」（その全文をここに援用する）に記載されている。図６の配列例は８つのトウを含むが、本発明は特定の配列寸法やトウ数に限定されず、特定の用途では、トウ数が８より少なく、別の用途ではトウ数が８より多くてもよい。
【００１７】
図６に示す構成例では、繊維配置システム１０はさらに、それぞれの繊維トウの繊維速度に応じて各ノズル２１に通す樹脂の流量を制御するように構成された制御装置８０を備える。制御装置８０はさらに、それぞれの繊維トウ２について樹脂幅及び／又は樹脂厚の測定データに基づくフィードバックを用いて、各ノズル２１に通す樹脂の流量を制御するように構成されている。このフィードバック制御構成では、樹脂幅及び樹脂厚の少なくとも１つをモニタする１つ又は２つ以上のセンサ１２を用いることができる。図６には図を簡単にするためにセンサ１２を１つだけ示すが、複数のセンサ１２を用いることができ、１例では、繊維トウ２ごとに１つのセンサ１２を設けることができるが、これに限らない。センサの例には光センサ又は接触センサがある。
【００１８】
さらに、図６に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０はさらに１つ又は２つ以上のコンピュータ制御ポンプ２３を有する。各ポンプは、樹脂をそれぞれのノズル２１に供給するように構成されている。図示のように、各ポンプを制御装置８０により制御する。有利なことに、図６に示す構成は、製品の特定要求に応じて各トウの樹脂塗工（その結果として注入）速度を制御しながら、ドライ繊維トウの配列に同時にインライン注入を行うことができる。
【００１９】
さらに特定の実施形態によれば、樹脂含浸アセンブリ２０はさらに、樹脂の繊維トウ２への注入を増強する注入増強装置２５を有する。注入増強装置２５の１例を図７に示す。図７に示すように、２つのロッド１４は、互いに平行かつ繊維トウ２の供給路にほぼ直交方向に向いている。特定の構成に応じて、繊維トウ２がロッド１４の上方及び／又は下方及び／又は間に延在してよく、かくしてロッド１４が樹脂を少なくとも部分的に繊維トウ２に押し込む。注入増強装置２５の別の例に、１対のプラテン（図示せず）を設け、繊維トウ２がプラテン間に延在する構成があるが、これに限らない。注入増強装置２５の例は、米国特許出願第１２／５７５，６６８号「樹脂塗工及び注入システム」に記載されている。
【００２０】
次に、繊維配置ヘッド３０について図８〜図１２を参照して説明する。上述したように、繊維配置ヘッド３０は、樹脂含浸アセンブリ２０からインライン樹脂注入繊維トウ２を受け取り、冷却するように構成された少なくとも１つの冷却器４０を有する。以下に、冷却器４０の１例を図８〜図１０を参照して説明する。特定の実施形態によれば、各冷却器４０は、樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている。さらに特定の実施形態によれば、各冷却器４０は、樹脂注入繊維トウを約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている。これは、従来の冷却方式が、プリプレグテープを室温未満又は室温程度に冷却したクリールに置き、プリプレグテープの温度上昇を制限するのとは対照的である。
【００２１】
図８に示す冷却器構成例では、各冷却器４０に複数の冷却チャンネル４１が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウ（図８には示さず）を受け取り、冷却するように構成されている。図８に示す特定の構成では、冷却チャンネル４１は下側プレート３６に形成されている。図８に４つのチャンネルを示すが、これは例示にすぎず、冷却器は何個のチャンネルを有してもよい。図９に冷却チャンネル４１の１例を線図的に示す。特定の実施形態によれば、各インライン樹脂注入繊維トウ２がそれぞれの冷却チャンネル４１の上側壁４３及び下側壁４５から約０．５ｍｍ以上のギャップδで隔てられている。さらに特定の例では、ギャップδは約１．０ｍｍであり、さらに特定の例では、ギャップδは約２．０ｍｍである。
【００２２】
図１０に図８の冷却器４０の断面図を示す。図８及び図１０に示す構成では、各冷却器４０は、冷却材を受け取るように構成された入口４２を有する。冷却材の例としては、冷却ガス、たとえば冷却空気があるが、これに限らない。冷却材はコンプレッサ／ブロア（図示せず）により供給することができる。図示例では入口４２を１つだけ示すが、複数の入口（図示せず）を用いてもよい。別の構成（図示せず）では、第２の入口を設けて冷却チャンネルの下側に冷却材を供給する。この後者の構成は、トウの振動を低減し、熱伝達を向上するのに望ましいことがある。
【００２３】
図１０に示すように、たとえば、冷却器４０はさらに、入口４２と流体連通している少なくとも１つのプレナム（冷却マニホルド）４４を有する。図示例ではプレナム４４を１つだけ示すが、上側プレート３４に複数の冷却マニホルド（図示せず）を画定することができる。限定するわけではないが、１例（図示せず）では、プレナムがトウに対して開口している。別の構成例では、閉じたプレナムに衝突冷却を行う。
【００２４】
図１０に示す冷却器４０はさらに、冷却材の少なくとも一部をプレナム４４の内方部分（参照番号３５）から外方部分３７に分流する分流器４６を有する。図示例では、分流器４６は分流プレート４６を有する。プレート４６は中実にすることができる。別の例では、プレート４６に１つ又は２つ以上のホール（図示せず）を設けてインライン注入繊維トウを衝突冷却することができる。特に、分流器４６は冷却材の少なくとも一部を冷却チャンネル４１の出口部分に分流し、かくして冷却チャンネル中に冷却材をさらに均等に分布させ、これにより樹脂注入繊維トウの冷却を促進する。
【００２５】
図８に示す構成例では、冷却器（冷却アセンブリ）４０にホール３８を設けて冷却器４０を繊維配置ヘッドアセンブリ３０全体に装着する。留め具３９を設けて上側プレート３４と下側プレート３６を固定している。
【００２６】
冷却器部品は種々の材料、たとえば金属材料及び低熱伝導度材料、たとえば複合材料、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ノリル（Noryl登録商標）又はレキサン（Lexan登録商標）で形成できる。ノリル及びレキサンは米国マサチューセッツ州ピッツフィールド所在のＳＡＢＩＣ（Saudi Basic Industries Corporation）から市販されている。限定するわけではないが、１例では、上側プレート３４と下側プレート３６は金属からなり、上側プレートの上側と下側プレートの下側に断熱材（図示せず）を設けて周囲空気による冷却器プレートの温度上昇を制限し、これによりトウの冷却をさらに促進する。別の例では、上側プレート３４と下側プレート３６は、複合材料、ＰＶＣ、ＰＥ、ノリル及びレキサンよりなる群から選択される１つ又は２つ以上の材料からなり、断熱材を設けない。
【００２７】
上述の特徴に加えて、並行流及び／又は対向流を用いて冷却をさらに促進することができる。図８では、冷却材（冷却空気）は入口４２からシステムに入る。この冷却空気はプレナム４４を通って冷却チャンネル４１に入る。チャンネル４１の中心（長手方向に）付近でプレナム４４をチャンネル４１に接続する場合、空気の流れが２つに分かれる。空気の一方は繊維トウ２の移動と同方向に流れ、冷却空気及び繊維トウが同じ側から出る。これが、材料及び流体の両方が同方向に流れる、並行流のセットアップである。他方の冷却空気は、別のチャンネル方向に流れ込み、繊維トウ２の移動に逆らってチャンネルを流れ、繊維が入るところでチャンネルから出る。材料及び流体の両方が逆方向に流れる、即ち対向流である。チャンネルの長手方向のプレナムの位置は中心である必要はない。最適化基準に応じて、プレナムはチャンネルの長手方向のどこかに位置することができる。
【００２８】
また、直交流を用いてさらに繊維トウを冷却することができる。たとえば、繊維トウを横断して空気を流すことができ（直交流）、空気は繊維の片側（繊維トウに対してほぼ直角）から入り、反対側から出る。しかし、チャンネル内の許容差が厳しい場合には、一般に並行流及び対向流は直交流に比べ実施しやすい。
【００２９】
上述の特徴に加えて、冷却器の幾何形状を選択的に構成すること及び冷却材の流量及び温度などの冷却材条件を調節することにより、冷却をさらに向上することができる。しかし、特定の設計構成及び冷却材条件は、境界条件に基づき用途に応じて変化する。たとえば、冷却器の幾何形状により、流れの断面積、流路長、プレナムの位置及び導入方式が決まる。プリプレグ材料で生じる境界条件の例としては、プリプレグ材料の熱伝導率又は比熱、幾何形状、供給量、冷却器入口でのプリプレグ材料の温度及び出口での所望の温度などの特性がある。
【００３０】
設計プロセスにおいて、冷却空気の流量や温度などの潜在的な変数すべてを調節して確実にプリプレグ材料の出口温度が所望値になるようにする。このプロセスでは、２つの異なる流れ方向におけるチャンネル内での圧力損失を考慮して並行流と対向流間の冷却空気の総質量流量の配分を求める。この配分は、チャンネルの壁での摩擦圧力損失、プリプレグ表面での摩擦圧力損失及び入出圧力損失による圧力損失の関数である。並行流と対向流間の流れの分配並びに冷却器幾何形状を用いて熱伝達係数を求め、熱伝達係数を用いて、冷却器内の流路に沿ったプリプレグ材料の温度プロファイルを計算する。総合的な境界条件に応じて、幾何形状、供給量、冷却空気条件を調節して所望の成果を得る、たとえば冷却材の使用量をできるだけ少なくしたり、冷却材温度をできるだけ高くしたりする。熱設計の他に、空気（冷却材）流れからのプリプレグ材料への摩擦力を考慮し、摩擦力が繊維配置システム全体に悪影響を与えないようにする。
【００３１】
冷却材をプリプレグ材料に流す方法に応じて、繊維トウのずれを考慮する。たとえば、冷却材を片側から導入する場合の繊維トウのずれは、冷却材を両側から導入する場合の繊維トウのずれに比べて顕著となる。さらに、チャンネル中の冷却材導入又は流れからの振動により繊維トウがずれることもある。
【００３２】
切断機アセンブリ５０の１例を図１１及び図１２を参照して説明する。しかし、図示した切断機アセンブリは１例にすぎず、本発明は特定の切断機アセンブリに限定されない。図１１及び図１２に示すアセンブリ例では、切断機アセンブリ５０はトウを受け取る複数の供給路５２を有する。４つの供給路を示すが、供給路の数は何個でもよい。限定するわけではないが、１例では、トウは約１フィート／秒で移動する。位置合わせピン５４を設けて切断機アセンブリ５０を繊維配置ヘッド３０に装着する。図示した構成例では、つまみねじ（留め具）５６を設けて切断機アセンブリの上部を下側プレート５８に固定する。他の固定手段を用いてもよい。
【００３３】
図１１及び図１２に示すように、アクチュエータ６２を設けて切断機（ブレード）６４を付勢する。アクチュエータの例としてはソレノイド及びエアコンプレッサがあるが、これらに限らない。図示例では、摩耗バー６６及び支持部品６８を設ける。１例では、摩耗バー６６は青銅からなるが、これに限らない。さらに、図示例では、止めネジ７２を設けて摩耗バーに所望の予荷重を維持する。さらに、ブレード６４に戻しばね（図示せず）を設けてもよい。
【００３４】
運転時、アクチュエータ６２は切断機６４を付勢して繊維トウを切断し、戻しばねがブレードを初期位置に戻す。図示例では、ブレードは複数のトウ（この場合、４つのトウ）を同時に切断する。しかし、各トウを切断するのに他の適当な切断機アセンブリを設けてもよい。
【００３５】
圧縮アセンブリ６０の１例を図１〜図４を参照して説明する。しかし、図示した圧縮アセンブリは１例にすぎず、本発明は特定の圧縮アセンブリに限定されない。図２〜図４に示すアセンブリ例では、圧縮アセンブリ６０は、器具（図２〜図４には示さず）にトウ２を圧縮する圧縮ローラー７４を有する。圧縮アセンブリ６０はさらに、圧縮ローラー７４を駆動する加圧アクチュエータ７８を有する。
【００３６】
繊維配置ヘッド３０の別の観点を図２〜図４を参照して説明する。図示した構成では、支持フィルム（ガイド）８２を設けてトウ２を支持する。支持フィルムは、非粘着性材料、たとえば商品名テフロン（登録商標）にてE. I. du Pont de Nemours and Company（米国デラウェア州ウィルミントンに本社所在）から市販されている材料を含有することができる。図示例では、ガイドローラー７６を設けて支持ガイド８２から圧縮ローラー７４に繊維トウを案内する。
【００３７】
図示した構成では、繊維配置ヘッド３０は、繊維トウ２を２つの切断用アセンブリ５０のそれぞれに供給する前に繊維トウ２を受け取り、冷却する２つの冷却モジュール４０を有する。モーター８６によりベルト８８を介して駆動される供給ローラー８４によりトウ２を移動させる。ピンチアクチュエータ９６がスプレダー９８を駆動し、そして次にスプレダー９８がピンチレバー９９を移動する。ピンチローラー９４は、ピンチレバー９９に連結されているので、ピンチアクチュエータ９６によりスプレダー９８及びレバー９９を介して付勢される。スプリング９７がピンチローラー９４を初期位置に戻す。運転時、ピンチローラー９４を付勢することにより、ピンチローラーがトウ２の各セットをそれぞれの供給ローラー８４に押し当てる。
【００３８】
図示した構成では、たとえば図３に示すように、２セットのトウのそれぞれを空間的にずらし、両者を合わせたとき繊維トウの連続バンド６を形成する。
【００３９】
繊維配置方法を図１３を参照して説明する。図１３に示すように、繊維配置方法は、工程１００で樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工する。図５及び図６を参照して前述したように、樹脂をタンク１６から供給し、種々の手段で塗工することができる。塗工手段の例には、図５の注入ローラー２２又は図６のノズル２１があるが、これらに限らない。繊維配置方法はさらに、工程１０２で樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する。注入は樹脂含浸アセンブリ２０を用いて行うことができ、該アセンブリ２０には、図７を参照して前述したように、所望により注入増強装置２５を設けてもよい。
【００４０】
繊維配置方法はさらに、工程１０４で約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度までインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。さらに特定の実施形態によれば、約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度までインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。これは、室温未満又は室温程度の初期温度からのプリプレグテープの温度上昇を制限する従来の冷却方式とは対照的である。図８〜図１０を参照して前述したように、冷却は冷却器４０を用いて行うことができる。特定の実施形態では、冷却工程１０４は並行流を用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。別の実施形態では、冷却工程１０４は対向流を用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。
【００４１】
繊維配置方法はさらに、工程１０６で冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、工程１０８で切断後の繊維トウを器具に圧縮する。切断操作は種々の切断アセンブリを用いて行うことができ、１例には図１１及び図１２の切断機アセンブリ５０があるが、これに限らない。圧縮操作は、種々の圧縮アセンブリを用いて行うことができ、１例には圧縮アセンブリ６０があるが、これに限らない。
【００４２】
本発明を特定の特徴だけについて例示し、説明したが、多くの変更や改変を当業者が想起することができるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の要旨に入るこのようなすべての変更や改変を含むものとする。
【符号の説明】
【００４３】
２ 繊維トウ
４ 樹脂
６ 繊維トウのバンド
１０ 繊維配置システム
１２ センサ
１４ ロッド
１６ 樹脂供給部（タンク）
２０ 樹脂含浸アセンブリ
２１ ノズル
２２ 注入ローラー
２３ ポンプ
２４ ホール
２５ 注入増強装置
２６ ノッチ
２８ ギャップ
３０ 繊維配置ヘッド
３２ スプールテンショナ
３３ ボックス
３４ 上側プレート
３５ プレナムの内方部分
３６ 下側プレート
３７ プレナムの外方部分
３８ ホール
３９ 留め具
４０ 冷却器
４１ 冷却チャンネル
４２ 入口
４３ 冷却チャンネルの上側壁
４４ プレナム
４５ 冷却チャンネルの下側壁
４６ 分流器
５０ 切断機アセンブリ
５２ 供給路
５４ 位置合わせピン
５６ つまみねじ
５８ 下側プレート
６０ 圧縮アセンブリ
６２ アクチュエータ
６４ 切断機（ブレード）
６６ 摩耗バー
６８ 支持部品
７０ 器具
７２ 止めネジ
７４ 圧縮ローラー
７６ ガイドローラー
７８ 加圧アクチュエータ
８０ 制御装置
８２ 支持フィルム（ガイド）
８４ 供給ローラー
８６ モーター
８８ ベルト
９０ クリール
９２ スプール
９４ ピンチローラー
９６ ピンチアクチュエータ
９７ スプリング
９８ スプレダー
９９ ピンチレバー
１００ 樹脂塗工工程
１０２ 樹脂注入工程
１０４ 繊維冷却工程
１０６ 切断工程
１０８ 圧縮工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、複合材料部品を形成する繊維配置システム及び方法に関し、特にインライン注入及び効果的インライン冷却を用いる繊維配置システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂注入された繊維複合材料は、重量比強度及び重量比剛性が高いなどの理由で多種多様な産業、たとえば自動車、航空機及び風カエネルギーに使用されることが増えている。複雑な複合材料部品及び／又は繊維パターンを形成することが望まれている。しかし、このような部品の現行の製造方法では通常、ドライ繊維プリフォームを用い、その後樹脂注入するか、「プリプレグ」と呼ばれる予め含浸させた繊維トウを配置する。これら両方の方法とも欠点がある、即ちドライプリフォームの用意には大きな労力を要し、プリプレグトウは非常に高価である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７５１３９６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、高価な予め含浸させた繊維トウ又はドライプリフォームを使用しない繊維配置方法及びシステムを提供することが望ましい。さらに、繊維配置方法及びシステムがインライン冷却を向上させてその後のインライン樹脂注入繊維トウの加工と使用を容易にすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１観点による繊維配置（ファイバプレイスメントfiber placement）システムは、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウ（インラインで樹脂を注入した繊維トウ）を形成する樹脂含浸アセンブリを備える。繊維配置システムはさらに繊維配置ヘッドを備え、繊維配置ヘッドは、樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器を含む。繊維配置ヘッドはさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリと、切断後の繊維トウを受け取り、器具（ツール）に圧縮するように構成された圧縮アセンブリとを含む。
【０００６】
本発明の別の観点は、繊維配置方法である。本方法は、樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成し、インライン樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却する工程を含む。繊維配置方法はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、切断後の繊維トウを器具に圧縮する工程を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の上記その他の特徴、観点及び効果を一層良く理解できるように、以下に添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図面において、同じ符号は同一部品を示す。
【図１】本発明の実施形態の繊維配置システムを示す線図である。
【図２】図１のシステムに用いる繊維配置ヘッドの斜視図である。
【図３】図２に示す繊維配置ヘッドの反対側の斜視図である。
【図４】図２及び図３の繊維配置ヘッドの断面図である。
【図５】図１のシステムに用いる、２つの注入ローラーを有する樹脂含浸アセンブリの線図である。
【図６】別の例の樹脂含浸アセンブリに用いるノズル配列の１例を示す線図である。
【図７】注入増強装置の１例を示す線図である。
【図８】図２〜図４の繊維配置ヘッドに用いる冷却器の構成の１例を示す斜視図である。
【図９】図８の冷却器の冷却チャンネルの１例を示す線図である。
【図１０】図８に示す冷却器の断面図である。
【図１１】図２〜図４の繊維配置ヘッドに用いる切断機アセンブリの１例を示す斜視図である。
【図１２】図１１の切断機アセンブリの断面図である。
【図１３】本発明の実施形態の繊維配置方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態の繊維配置システム１０を図１〜図４を参照して説明する。たとえば図１に示すように、１例である繊維配置システム１０は、樹脂（図１には示さず）を１つ又は２つ以上の繊維トウ２に塗工し、樹脂を繊維トウ２に注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウ（これも参照番号２で示す。）を形成する樹脂含浸アセンブリ２０を備える。図１の構成例では４つの繊維トウを示すが、本発明は、特定の数の繊維トウに限定されず、繊維トウ数は用途や特定の機械設計に応じて変わる。樹脂含浸アセンブリ２０の構成例は、図５〜図７を参照して後で説明する。
【０００９】
ここで用いる用語「繊維トウ」は、フィラメント、繊維、多数（たとえば、１０，０００〜５０，０００）の繊維からなるトウ及び繊維テープに大別されるすべてのものを指す。通常、トウが５０，０００以上の繊維を含むと、インターリーブ構造の強度が低減し、一方、トウが３０００未満の繊維を含むと、製造コストが増加する。２つの実施例では、１２，０００及び２４，０００繊維のトウを使用した。繊維の種類には、ガラス繊維、高強度繊維（たとえば、炭素繊維）、硬質耐剪断性繊維（たとえば、金属繊維又はセラミック繊維）及び強靱性繊維（たとえば、Ｓガラス、アラミド繊維及び配向ポリエチレン繊維）があるが、これらに限らない。アラミド繊維の例としては、ケブラー（Kevlar登録商標）及びトワロン（Twaron登録商標）があるが、これらに限らない。ケブラーはE. I. du Pont de Nemours and Company（米国バージニア州リッチモンド所在）から販売されている。トワロンアラミド繊維は帝人トワロン（オランダ所在）から販売されている。配向ポリエチレン繊維の例としては、スペクトラ（Spectra登録商標）及びダイニーマ（Dyneema登録商標）があるが、これらに限らない。スペクトラ繊維は、Honeywell Specialty Materials社（米国ニュージャージー州モリス所在）から販売されている。ダイニーマ繊維はＤＳＭ（Dutch State Mines）社（オランダ所在）から販売されている。
【００１０】
図１に示すように、システム１０はさらに、繊維配置ヘッド３０を備える。たとえば、図２〜図４に示すように、繊維配置ヘッド３０は、樹脂含浸アセンブリ２０からインライン樹脂注入繊維トウ２を受け取り、冷却するように構成された冷却器４０を１つ以上有する。冷却器４０は、図８〜図１０を参照して後で詳細に説明する。繊維配置ヘッド３０はさらに、冷却後の樹脂注入繊維トウ２を受け取り、切断するように構成された切断機アセンブリ５０を１つ以上有する。切断機アセンブリ５０は、その１例を図１１及び図１２を参照して後で説明する。たとえば、図２〜図４に示すように、繊維配置ヘッド３０はさらに、切断後の繊維トウを受け取り、器具７０に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ６０を有する。圧縮アセンブリは、図１〜図４を参照して後で説明する。
【００１１】
図１に示す構成例では、繊維トウ２をクリール９０から供給する。図示例では、クリール９０は複数のスプール９２を有する。図示のように、最初に各トウ２をそれぞれのスプール９２に巻く。１つ又は２つ以上のスプールテンショナ３２を設けてクリール９０の繊維トウの張りを制御することができる。図１に示すような制御装置８０によりスプールテンショナ３２を制御することができる。制御装置８０を用いて樹脂含浸アセンブリ２０及び／又は繊維配置ヘッド３０の制御を行うこともできる。別の構成では、別々の制御装置（図示せず）を用いることができる。
【００１２】
ある実施形態では、制御装置８０は１つ又は２つ以上のプロセッサを有することができる。なお、本発明は、本発明の処理作業を行う特定のプロセッサに限定されない。ここで用いる用語「プロセッサ」は、本発明の処理作業を行うのに必要な計算や演算を行うことができる機械を示す。当業者に明らかであるように、用語「プロセッサ」は、構造化された入力を受理すること及び／又は入力を所定の規則にしたがって処理して出力を生成することができる機械を示す。
【００１３】
繊維配置ヘッド３０は、回転軸の周りを回転するか静止している器具７０に対して移動するように構成されている。制御装置８０はさらに、繊維配置ヘッド３０と器具７０の相対移動を制御するように構成されている。通常、繊維配置ヘッド３０が器具７０に対して移動する。特に、繊維配置ヘッド３０は軸方向移動、並進及び軸回転するように構成されている。理論上、器具７０も繊維配置ヘッド３０に対して移動するように構成可能であるが、器具７０と繊維配置ヘッド３０の相対寸法及び構成からこの理論的構成は実用的でない。この相対移動は、様々な方法を用いて、たとえばガントリ、即ち支持機枠（図示せず）に繊維配置ヘッド３０を装着するなどして実現することができる。繊維配置ヘッド３０は、摺動可能にトラック（図示せず）に係合され、アクチュエータ（図示せず）に駆動されてトラックを上下移動できるようにするか、多軸スピンドルヘッド（図示せず）上に位置することができる。トラック及びアクチュエータは位置決め装置と総称できる。この位置決め装置をガントリに装着することができる。さらに、クリール９０、樹脂供給部１６、ヒーター（図示せず）及びスプールテンショナ３２をガントリに装着してもよい。
【００１４】
図５に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０は、たとえば樹脂供給部（又は樹脂タンク）１６から樹脂４を受け取るように構成された１つ又は２つ以上の注入ローラー２２を有する。樹脂４の例としては、熱硬化性ポリマー樹脂、たとえばビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂及びこれらの混合物があるが、これらに限らない。たとえば、図５に示すように、各注入ローラー２２には多数のホール２４が設けられ、樹脂を繊維トウ（図５には示さず）に注入してインライン樹脂注入トウを形成するように構成されている。図５に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０が２つの注入ローラー２２を有し、４つの繊維トウがそれらの間を通るように構成されている。さらに、図５に示す構成例では、注入ローラー２２はボックス３３に納められている。
【００１５】
１つの構成例では、各注入ローラー２２にいくつかのノッチが設けられ、対応する繊維トウを受け取るように構成されている。隣接するノッチは互いにギャップで隔てられている。この構成例では、ホール２４は、ノッチに配列され、注入ローラー２２の軸線方向に沿って無孔部分で隔てられている。
【００１６】
図６は樹脂含浸アセンブリ２０の別の構成例を示す。図６に示す構成では、樹脂含浸アセンブリ２０は、樹脂をそれぞれの繊維トウ上に堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル２１を有する。様々な構成のノズル２１を用いることができる。図示した構成では、各ノズル２１は、樹脂を１つの繊維トウ２だけに堆積するように構成されている。図示した構成では、ノズル２１は、樹脂を繊維トウ２の片側だけに堆積するように構成されている。別の構成では、樹脂を繊維トウの両側に堆積するようにノズル２１を構成することができる。ノズル２１の異なるいくつかの構成は、本出願人に譲渡された米国特許出願第１２／５７５，６６８号「樹脂塗工及び注入システム」（その全文をここに援用する）に記載されている。図６の配列例は８つのトウを含むが、本発明は特定の配列寸法やトウ数に限定されず、特定の用途では、トウ数が８より少なく、別の用途ではトウ数が８より多くてもよい。
【００１７】
図６に示す構成例では、繊維配置システム１０はさらに、それぞれの繊維トウの繊維速度に応じて各ノズル２１に通す樹脂の流量を制御するように構成された制御装置８０を備える。制御装置８０はさらに、それぞれの繊維トウ２について樹脂幅及び／又は樹脂厚の測定データに基づくフィードバックを用いて、各ノズル２１に通す樹脂の流量を制御するように構成されている。このフィードバック制御構成では、樹脂幅及び樹脂厚の少なくとも１つをモニタする１つ又は２つ以上のセンサ１２を用いることができる。図６には図を簡単にするためにセンサ１２を１つだけ示すが、複数のセンサ１２を用いることができ、１例では、繊維トウ２ごとに１つのセンサ１２を設けることができるが、これに限らない。センサの例には光センサ又は接触センサがある。
【００１８】
さらに、図６に示す構成例では、樹脂含浸アセンブリ２０はさらに１つ又は２つ以上のコンピュータ制御ポンプ２３を有する。各ポンプは、樹脂をそれぞれのノズル２１に供給するように構成されている。図示のように、各ポンプを制御装置８０により制御する。有利なことに、図６に示す構成は、製品の特定要求に応じて各トウの樹脂塗工（その結果として注入）速度を制御しながら、ドライ繊維トウの配列に同時にインライン注入を行うことができる。
【００１９】
さらに特定の実施形態によれば、樹脂含浸アセンブリ２０はさらに、樹脂の繊維トウ２への注入を増強する注入増強装置２５を有する。注入増強装置２５の１例を図７に示す。図７に示すように、２つのロッド１４は、互いに平行かつ繊維トウ２の供給路にほぼ直交方向に向いている。特定の構成に応じて、繊維トウ２がロッド１４の上方及び／又は下方及び／又は間に延在してよく、かくしてロッド１４が樹脂を少なくとも部分的に繊維トウ２に押し込む。注入増強装置２５の別の例に、１対のプラテン（図示せず）を設け、繊維トウ２がプラテン間に延在する構成があるが、これに限らない。注入増強装置２５の例は、米国特許出願第１２／５７５，６６８号「樹脂塗工及び注入システム」に記載されている。
【００２０】
次に、繊維配置ヘッド３０について図８〜図１２を参照して説明する。上述したように、繊維配置ヘッド３０は、樹脂含浸アセンブリ２０からインライン樹脂注入繊維トウ２を受け取り、冷却するように構成された少なくとも１つの冷却器４０を有する。以下に、冷却器４０の１例を図８〜図１０を参照して説明する。特定の実施形態によれば、各冷却器４０は、樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている。さらに特定の実施形態によれば、各冷却器４０は、樹脂注入繊維トウを約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている。これは、従来の冷却方式が、プリプレグテープを室温未満又は室温程度に冷却したクリールに置き、プリプレグテープの温度上昇を制限するのとは対照的である。
【００２１】
図８に示す冷却器構成例では、各冷却器４０に複数の冷却チャンネル４１が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウ（図８には示さず）を受け取り、冷却するように構成されている。図８に示す特定の構成では、冷却チャンネル４１は下側プレート３６に形成されている。図８に４つのチャンネルを示すが、これは例示にすぎず、冷却器は何個のチャンネルを有してもよい。図９に冷却チャンネル４１の１例を線図的に示す。特定の実施形態によれば、各インライン樹脂注入繊維トウ２がそれぞれの冷却チャンネル４１の上側壁４３及び下側壁４５から約０．５ｍｍ以上のギャップδで隔てられている。さらに特定の例では、ギャップδは約１．０ｍｍであり、さらに特定の例では、ギャップδは約２．０ｍｍである。
【００２２】
図１０に図８の冷却器４０の断面図を示す。図８及び図１０に示す構成では、各冷却器４０は、冷却材を受け取るように構成された入口４２を有する。冷却材の例としては、冷却ガス、たとえば冷却空気があるが、これに限らない。冷却材はコンプレッサ／ブロア（図示せず）により供給することができる。図示例では入口４２を１つだけ示すが、複数の入口（図示せず）を用いてもよい。別の構成（図示せず）では、第２の入口を設けて冷却チャンネルの下側に冷却材を供給する。この後者の構成は、トウの振動を低減し、熱伝達を向上するのに望ましいことがある。
【００２３】
図１０に示すように、たとえば、冷却器４０はさらに、入口４２と流体連通している少なくとも１つのプレナム（冷却マニホルド）４４を有する。図示例ではプレナム４４を１つだけ示すが、上側プレート３４に複数の冷却マニホルド（図示せず）を画定することができる。限定するわけではないが、１例（図示せず）では、プレナムがトウに対して開口している。別の構成例では、閉じたプレナムに衝突冷却を行う。
【００２４】
図１０に示す冷却器４０はさらに、冷却材の少なくとも一部をプレナム４４の内方部分（参照番号３５）から外方部分３７に分流する分流器４６を有する。図示例では、分流器４６は分流プレート４６を有する。プレート４６は中実にすることができる。別の例では、プレート４６に１つ又は２つ以上のホール（図示せず）を設けてインライン注入繊維トウを衝突冷却することができる。特に、分流器４６は冷却材の少なくとも一部を冷却チャンネル４１の出口部分に分流し、かくして冷却チャンネル中に冷却材をさらに均等に分布させ、これにより樹脂注入繊維トウの冷却を促進する。
【００２５】
図８に示す構成例では、冷却器（冷却アセンブリ）４０にホール３８を設けて冷却器４０を繊維配置ヘッドアセンブリ３０全体に装着する。留め具３９を設けて上側プレート３４と下側プレート３６を固定している。
【００２６】
冷却器部品は種々の材料、たとえば金属材料及び低熱伝導度材料、たとえば複合材料、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ノリル（Noryl登録商標）又はレキサン（Lexan登録商標）で形成できる。ノリル及びレキサンは米国マサチューセッツ州ピッツフィールド所在のＳＡＢＩＣ（Saudi Basic Industries Corporation）から市販されている。限定するわけではないが、１例では、上側プレート３４と下側プレート３６は金属からなり、上側プレートの上側と下側プレートの下側に断熱材（図示せず）を設けて周囲空気による冷却器プレートの温度上昇を制限し、これによりトウの冷却をさらに促進する。別の例では、上側プレート３４と下側プレート３６は、複合材料、ＰＶＣ、ＰＥ、ノリル及びレキサンよりなる群から選択される１つ又は２つ以上の材料からなり、断熱材を設けない。
【００２７】
上述の特徴に加えて、並行流及び／又は対向流を用いて冷却をさらに促進することができる。図８では、冷却材（冷却空気）は入口４２からシステムに入る。この冷却空気はプレナム４４を通って冷却チャンネル４１に入る。チャンネル４１の中心（長手方向に）付近でプレナム４４をチャンネル４１に接続する場合、空気の流れが２つに分かれる。空気の一方は繊維トウ２の移動と同方向に流れ、冷却空気及び繊維トウが同じ側から出る。これが、材料及び流体の両方が同方向に流れる、並行流のセットアップである。他方の冷却空気は、別のチャンネル方向に流れ込み、繊維トウ２の移動に逆らってチャンネルを流れ、繊維が入るところでチャンネルから出る。材料及び流体の両方が逆方向に流れる、即ち対向流である。チャンネルの長手方向のプレナムの位置は中心である必要はない。最適化基準に応じて、プレナムはチャンネルの長手方向のどこかに位置することができる。
【００２８】
また、直交流を用いてさらに繊維トウを冷却することができる。たとえば、繊維トウを横断して空気を流すことができ（直交流）、空気は繊維の片側（繊維トウに対してほぼ直角）から入り、反対側から出る。しかし、チャンネル内の許容差が厳しい場合には、一般に並行流及び対向流は直交流に比べ実施しやすい。
【００２９】
上述の特徴に加えて、冷却器の幾何形状を選択的に構成すること及び冷却材の流量及び温度などの冷却材条件を調節することにより、冷却をさらに向上することができる。しかし、特定の設計構成及び冷却材条件は、境界条件に基づき用途に応じて変化する。たとえば、冷却器の幾何形状により、流れの断面積、流路長、プレナムの位置及び導入方式が決まる。プリプレグ材料で生じる境界条件の例としては、プリプレグ材料の熱伝導率又は比熱、幾何形状、供給量、冷却器入口でのプリプレグ材料の温度及び出口での所望の温度などの特性がある。
【００３０】
設計プロセスにおいて、冷却空気の流量や温度などの潜在的な変数すべてを調節して確実にプリプレグ材料の出口温度が所望値になるようにする。このプロセスでは、２つの異なる流れ方向におけるチャンネル内での圧力損失を考慮して並行流と対向流間の冷却空気の総質量流量の配分を求める。この配分は、チャンネルの壁での摩擦圧力損失、プリプレグ表面での摩擦圧力損失及び入出圧力損失による圧力損失の関数である。並行流と対向流間の流れの分配並びに冷却器幾何形状を用いて熱伝達係数を求め、熱伝達係数を用いて、冷却器内の流路に沿ったプリプレグ材料の温度プロファイルを計算する。総合的な境界条件に応じて、幾何形状、供給量、冷却空気条件を調節して所望の成果を得る、たとえば冷却材の使用量をできるだけ少なくしたり、冷却材温度をできるだけ高くしたりする。熱設計の他に、空気（冷却材）流れからのプリプレグ材料への摩擦力を考慮し、摩擦力が繊維配置システム全体に悪影響を与えないようにする。
【００３１】
冷却材をプリプレグ材料に流す方法に応じて、繊維トウのずれを考慮する。たとえば、冷却材を片側から導入する場合の繊維トウのずれは、冷却材を両側から導入する場合の繊維トウのずれに比べて顕著となる。さらに、チャンネル中の冷却材導入又は流れからの振動により繊維トウがずれることもある。
【００３２】
切断機アセンブリ５０の１例を図１１及び図１２を参照して説明する。しかし、図示した切断機アセンブリは１例にすぎず、本発明は特定の切断機アセンブリに限定されない。図１１及び図１２に示すアセンブリ例では、切断機アセンブリ５０はトウを受け取る複数の供給路５２を有する。４つの供給路を示すが、供給路の数は何個でもよい。限定するわけではないが、１例では、トウは約１フィート／秒で移動する。位置合わせピン５４を設けて切断機アセンブリ５０を繊維配置ヘッド３０に装着する。図示した構成例では、つまみねじ（留め具）５６を設けて切断機アセンブリの上部を下側プレート５８に固定する。他の固定手段を用いてもよい。
【００３３】
図１１及び図１２に示すように、アクチュエータ６２を設けて切断機（ブレード）６４を付勢する。アクチュエータの例としてはソレノイド及びエアコンプレッサがあるが、これらに限らない。図示例では、摩耗バー６６及び支持部品６８を設ける。１例では、摩耗バー６６は青銅からなるが、これに限らない。さらに、図示例では、止めネジ７２を設けて摩耗バーに所望の予荷重を維持する。さらに、ブレード６４に戻しばね（図示せず）を設けてもよい。
【００３４】
運転時、アクチュエータ６２は切断機６４を付勢して繊維トウを切断し、戻しばねがブレードを初期位置に戻す。図示例では、ブレードは複数のトウ（この場合、４つのトウ）を同時に切断する。しかし、各トウを切断するのに他の適当な切断機アセンブリを設けてもよい。
【００３５】
圧縮アセンブリ６０の１例を図１〜図４を参照して説明する。しかし、図示した圧縮アセンブリは１例にすぎず、本発明は特定の圧縮アセンブリに限定されない。図２〜図４に示すアセンブリ例では、圧縮アセンブリ６０は、器具（図２〜図４には示さず）にトウ２を圧縮する圧縮ローラー７４を有する。圧縮アセンブリ６０はさらに、圧縮ローラー７４を駆動する加圧アクチュエータ７８を有する。
【００３６】
繊維配置ヘッド３０の別の観点を図２〜図４を参照して説明する。図示した構成では、支持フィルム（ガイド）８２を設けてトウ２を支持する。支持フィルムは、非粘着性材料、たとえば商品名テフロン（登録商標）にてE. I. du Pont de Nemours and Company（米国デラウェア州ウィルミントンに本社所在）から市販されている材料を含有することができる。図示例では、ガイドローラー７６を設けて支持ガイド８２から圧縮ローラー７４に繊維トウを案内する。
【００３７】
図示した構成では、繊維配置ヘッド３０は、繊維トウ２を２つの切断用アセンブリ５０のそれぞれに供給する前に繊維トウ２を受け取り、冷却する２つの冷却モジュール４０を有する。モーター８６によりベルト８８を介して駆動される供給ローラー８４によりトウ２を移動させる。ピンチアクチュエータ９６がスプレダー９８を駆動し、そして次にスプレダー９８がピンチレバー９９を移動する。ピンチローラー９４は、ピンチレバー９９に連結されているので、ピンチアクチュエータ９６によりスプレダー９８及びレバー９９を介して付勢される。スプリング９７がピンチローラー９４を初期位置に戻す。運転時、ピンチローラー９４を付勢することにより、ピンチローラーがトウ２の各セットをそれぞれの供給ローラー８４に押し当てる。
【００３８】
図示した構成では、たとえば図３に示すように、２セットのトウのそれぞれを空間的にずらし、両者を合わせたとき繊維トウの連続バンド６を形成する。
【００３９】
繊維配置方法を図１３を参照して説明する。図１３に示すように、繊維配置方法は、工程１００で樹脂を１つ又は２つ以上の繊維トウに塗工する。図５及び図６を参照して前述したように、樹脂をタンク１６から供給し、種々の手段で塗工することができる。塗工手段の例には、図５の注入ローラー２２又は図６のノズル２１があるが、これらに限らない。繊維配置方法はさらに、工程１０２で樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する。注入は樹脂含浸アセンブリ２０を用いて行うことができ、該アセンブリ２０には、図７を参照して前述したように、所望により注入増強装置２５を設けてもよい。
【００４０】
繊維配置方法はさらに、工程１０４で約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度までインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。さらに特定の実施形態によれば、約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度までインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。これは、室温未満又は室温程度の初期温度からのプリプレグテープの温度上昇を制限する従来の冷却方式とは対照的である。図８〜図１０を参照して前述したように、冷却は冷却器４０を用いて行うことができる。特定の実施形態では、冷却工程１０４は並行流を用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。別の実施形態では、冷却工程１０４は対向流を用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する。
【００４１】
繊維配置方法はさらに、工程１０６で冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、工程１０８で切断後の繊維トウを器具に圧縮する。切断操作は種々の切断アセンブリを用いて行うことができ、１例には図１１及び図１２の切断機アセンブリ５０があるが、これに限らない。圧縮操作は、種々の圧縮アセンブリを用いて行うことができ、１例には圧縮アセンブリ６０があるが、これに限らない。
【００４２】
本発明を特定の特徴だけについて例示し、説明したが、多くの変更や改変を当業者が想起することができるであろう。したがって、特許請求の範囲は本発明の要旨に入るこのようなすべての変更や改変を含むものとする。
【符号の説明】
【００４３】
２ 繊維トウ
４ 樹脂
６ 繊維トウのバンド
１０ 繊維配置システム
１２ センサ
１４ ロッド
１６ 樹脂供給部（タンク）
２０ 樹脂含浸アセンブリ
２１ ノズル
２２ 注入ローラー
２３ ポンプ
２４ ホール
２５ 注入増強装置
２６ ノッチ
２８ ギャップ
３０ 繊維配置ヘッド
３２ スプールテンショナ
３３ ボックス
３４ 上側プレート
３５ プレナムの内方部分
３６ 下側プレート
３７ プレナムの外方部分
３８ ホール
３９ 留め具
４０ 冷却器
４１ 冷却チャンネル
４２ 入口
４３ 冷却チャンネルの上側壁
４４ プレナム
４５ 冷却チャンネルの下側壁
４６ 分流器
５０ 切断機アセンブリ
５２ 供給路
５４ 位置合わせピン
５６ つまみねじ
５８ 下側プレート
６０ 圧縮アセンブリ
６２ アクチュエータ
６４ 切断機（ブレード）
６６ 摩耗バー
６８ 支持部品
７０ 器具
７２ 止めネジ
７４ 圧縮ローラー
７６ ガイドローラー
７８ 加圧アクチュエータ
８０ 制御装置
８２ 支持フィルム（ガイド）
８４ 供給ローラー
８６ モーター
８８ ベルト
９０ クリール
９２ スプール
９４ ピンチローラー
９６ ピンチアクチュエータ
９７ スプリング
９８ スプレダー
９９ ピンチレバー
１００ 樹脂塗工工程
１０２ 樹脂注入工程
１０４ 繊維冷却工程
１０６ 切断工程
１０８ 圧縮工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂（４）を１つ又は２つ以上の繊維トウ（２）に塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する樹脂含浸アセンブリ（２０）、及び
樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器（４０）と、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリ（５０）と、切断後の繊維トウを受け取り、器具（７０）に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ（６０）とを有する繊維配置ヘッド（３０）を備える、
繊維配置システム（１０）。
【請求項２】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が、樹脂（４）を受け取るように構成された１つ又は２つ以上の注入ローラー（２２）を有し、各注入ローラーには複数のホール（２４）が設けられ、樹脂を繊維トウに注入してインライン樹脂注入トウを形成するように構成されており、
繊維配置システム（１０）はさらに１つ以上のクリール（９０）を備え、各クリールが１つ又は２つ以上の繊維トウを各冷却器（４０）に供給するように構成されている、
請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項３】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が、樹脂をそれぞれの繊維トウに堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル（２１）を有し、繊維配置システム（１０）がさらに、それぞれの繊維トウの繊維速度に対して各ノズル（２１）からの樹脂の流量を制御するように構成された制御装置（８０）を備え、樹脂含浸アセンブリ（２０）がさらに１つ又は２つ以上のコンピュータ制御ポンプ（２３）を有し、各ポンプが樹脂をそれぞれのノズル（２１）に供給するように構成され、制御装置（８０）により各ポンプを制御する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項４】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が樹脂をそれぞれの繊維トウに堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル（２１）を有し、樹脂含浸アセンブリ（２０）がさらに繊維トウへの樹脂の注入を増強する注入増強装置（２５）を有する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項５】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成され、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、各インライン樹脂注入繊維トウが冷却チャンネルの上側壁（４３）及び下側壁（４５）から約０．５ｍｍ以上のギャップ（δ）で隔てられている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項６】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成され、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、各冷却チャンネル（４１）がさらに並行流、対向流及び直交流の少なくとも１つを用いてそれぞれのインライン樹脂注入繊維トウを冷却するように構成されている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項７】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項８】
各冷却器（４０）が、冷却材を受け取るように構成された少なくとも１つの入口（４２）と、前記入口と流体連通している少なくとも１つのプレナム（４４）と、冷却材の少なくとも一部をプレナムの内方部分から外方部分に分流する分流器（４６）とを備え、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、分流器（４６）が冷却材の少なくとも一部を冷却チャンネルの出口部分に分流する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項９】
樹脂（４）を１つ又は２つ以上の繊維トウ（２）に塗工し、
樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成し、
インライン樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却し、
冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、
切断後の繊維トウを器具（７０）に圧縮する工程を含む、
繊維配置方法。
【請求項１０】
前記初期温度が約１４０°Ｆ以上で、冷却後温度が約４０°Ｆ未満であり、冷却工程で並行流、対向流及び直交流の少なくとも１つを用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する、請求項９に記載の繊維配置方法。
【請求項１】
樹脂（４）を１つ又は２つ以上の繊維トウ（２）に塗工し、樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成する樹脂含浸アセンブリ（２０）、及び
樹脂含浸アセンブリからインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成された１つ以上の冷却器（４０）と、冷却後の樹脂注入繊維トウを受け取り、切断するように構成された１つ以上の切断機アセンブリ（５０）と、切断後の繊維トウを受け取り、器具（７０）に圧縮するように構成された圧縮アセンブリ（６０）とを有する繊維配置ヘッド（３０）を備える、
繊維配置システム（１０）。
【請求項２】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が、樹脂（４）を受け取るように構成された１つ又は２つ以上の注入ローラー（２２）を有し、各注入ローラーには複数のホール（２４）が設けられ、樹脂を繊維トウに注入してインライン樹脂注入トウを形成するように構成されており、
繊維配置システム（１０）はさらに１つ以上のクリール（９０）を備え、各クリールが１つ又は２つ以上の繊維トウを各冷却器（４０）に供給するように構成されている、
請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項３】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が、樹脂をそれぞれの繊維トウに堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル（２１）を有し、繊維配置システム（１０）がさらに、それぞれの繊維トウの繊維速度に対して各ノズル（２１）からの樹脂の流量を制御するように構成された制御装置（８０）を備え、樹脂含浸アセンブリ（２０）がさらに１つ又は２つ以上のコンピュータ制御ポンプ（２３）を有し、各ポンプが樹脂をそれぞれのノズル（２１）に供給するように構成され、制御装置（８０）により各ポンプを制御する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項４】
樹脂含浸アセンブリ（２０）が樹脂をそれぞれの繊維トウに堆積するように構成された１つ又は２つ以上のノズル（２１）を有し、樹脂含浸アセンブリ（２０）がさらに繊維トウへの樹脂の注入を増強する注入増強装置（２５）を有する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項５】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成され、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、各インライン樹脂注入繊維トウが冷却チャンネルの上側壁（４３）及び下側壁（４５）から約０．５ｍｍ以上のギャップ（δ）で隔てられている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項６】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成され、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、各冷却チャンネル（４１）がさらに並行流、対向流及び直交流の少なくとも１つを用いてそれぞれのインライン樹脂注入繊維トウを冷却するように構成されている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項７】
各冷却器（４０）が樹脂注入繊維トウを約１４０°Ｆ以上の初期温度から約４０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却するように構成されている、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項８】
各冷却器（４０）が、冷却材を受け取るように構成された少なくとも１つの入口（４２）と、前記入口と流体連通している少なくとも１つのプレナム（４４）と、冷却材の少なくとも一部をプレナムの内方部分から外方部分に分流する分流器（４６）とを備え、各冷却器（４０）には複数の冷却チャンネル（４１）が設けられ、それぞれのインライン樹脂注入繊維トウを受け取り、冷却するように構成され、分流器（４６）が冷却材の少なくとも一部を冷却チャンネルの出口部分に分流する、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
【請求項９】
樹脂（４）を１つ又は２つ以上の繊維トウ（２）に塗工し、
樹脂を繊維トウに注入して１つ又は２つ以上のインライン樹脂注入繊維トウを形成し、
インライン樹脂注入繊維トウを約１００°Ｆ以上の初期温度から約５０°Ｆ未満の冷却後温度まで冷却し、
冷却後の樹脂注入繊維トウを切断し、
切断後の繊維トウを器具（７０）に圧縮する工程を含む、
繊維配置方法。
【請求項１０】
前記初期温度が約１４０°Ｆ以上で、冷却後温度が約４０°Ｆ未満であり、冷却工程で並行流、対向流及び直交流の少なくとも１つを用いてインライン樹脂注入繊維トウを冷却する、請求項９に記載の繊維配置方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１０６０８２（Ｐ２０１１−１０６０８２Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４９２４５（Ｐ２０１０−２４９２４５）
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月８日（２０１０．１１．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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